Fundamentos del LED: Definición, estructura y funcionamiento
Faros LED
Aquí encontrará útiles conocimientos básicos y prácticos consejos relacionados con los faros LED de los vehículos.
Los LEDs han llegado para ir sustituyendo a la clásica lámpara incandescente en los vehículos modernos. No sólo ofrecen un elevado rendimiento lumínico y una mayor seguridad, sino también muchas posibilidades de configuración y un alto potencial de ahorro. Los más interesados por la tecnología podrán saciar su sed de conocimientos en esta página, donde se habla de los principios de la tecnología LED aplicada al automóvil. Además, también podrán saber qué debe tenerse en cuenta a la hora de ajustar un moderno faro LED.
Indicación de seguridad importante
La siguiente información técnica y consejos prácticos han sido elaborados por HELLA con el fin de ayudar de forma profesional a los talleres de vehículos en su trabajo diario. La información facilitada en esta página web está pensada solamente para personal debidamente cualificado y con formación específica.
ÍNDICE DE CONTENIDO
FUNDAMENTOS DEL FARO LED: DEFINICIÓN, ESTRUCTURA Y FUNCIONAMIENTO: FUNDAMENTOS
El diodo luminoso es denominado diodo luminiscente, o también LED en su forma abreviada. LED son las siglas en inglés de "light emitting diode" (diodo emisor de luz), ya que transforman la energía eléctrica en luz. Desde un punto de vista físico es una fuente lumínica fría y un componente electrónico semiconductor de optoelectrónica, cuya capacidad conductora se encuentra entre la de los conductores (p. ej. metales, agua, grafito) y la de los no conductores (p.ej. no metales, cristal, madera).
Estructura
Según las necesidades, existen diodos luminosos en distintos tamaños, formas y colores. La versión clásica (LED estándar) tiene una forma similar a la de un cilindro y está unida por medio de una semicircunferencia al lugar por donde sale la luz.
Los diodos luminosos más sencillos están formados por los siguientes componentes:
- Chip LED
- Depósito del reflector (con contacto al cátodo)
- Alambre de oro (contacto al ánodo)
- Lente de plástico (elemento unido y sujeto)
Pequeño y resistente: El diodo de alta potencia
Los diodos de alta potencia disponen de una pieza de metal que proporciona una mejor regulación del calor. Gracias a ello, el calor se disipa más fácilmente y puede fluir más corriente a través del diodo, con lo cual la proyección de la luz cubre una mayor superficie y la potencias lumínica aumenta. En comparación con un LED sencillo de 5 mm, la resistencia térmica se ha reducido diez veces. En la práctica esto significa que un diodo de alta potencia, como p.ej. el Luxeon Rebel, tiene una superficie de emisión de 1 mm cuadrado y un grado de efectividad de 40-100 lúmenes. La potencia de un LED normal de 5 mm se queda muy atrás. Con un tamaño de 0,25 mm y una potencia inferior a 0,1 W y 20-30 mA, alcanza un grado de efectividad de 1-2 lúmenes.
La estructura pequeña y plana de los LEDs ofrece un gran espacio de libre configuración para el futuro diseño de los productos, p.ej. los módulos de luz de conducción diurna "LEDayFlex" para turismo, camión y caravana.
Formas
Existen distintos tipos y formas de diodos luminosos. Dependiendo del ámbito de aplicación, se diferencian por su estructura, potencia y vida útil. Los LEDs más importantes son:
Diodos luminosos de alambre
El predecesor de todos los LEDs es el diodo luminoso de alambre, que se utilizó principalmente para tareas de control. En combinación con otros LEDs, hoy en día se utilizan como Spots LED, tubos fluorescentes, tubos LED o módulos LED. Pueden adquirirse de 3, 5 o 10 mm. El cátodo, el polo negativo de un LED de alambre, se reconoce porque es más corto que el ánodo (polo positivo) y porque se ha alisado su revestimiento de plástico. El ángulo de salida de la luz queda definido por la forma de la lente de la carcasa.
SuperFlux
Más potente que el LED de alambre, el LED SuperFlux lleva hasta cuatro chips (cristales semiconductores). Los modelos más empleados son el "piraña" y el "spider". Se caracterizan por su amplio ángulo de irradiación y se utilizan sobre todo a la hora de iluminar superficies, ya que la luz se emite bien distribuida por toda la superficie. La disipación del calor tiene lugar gracias a sus cuatro contactos, que pueden controlarse de manera individual. La estructura del High Flux garantiza una elevada vida útil y convierte al LED en una fuente lumínica muy eficiente, que ofrece numerosos campos de aplicación.
SMD
SMD son las siglas de "Surface Mounted Device", es decir, estos diodos se utilizan cuando hay que hacer un montaje en superficie. La mayoría de los LEDs SMD se componen de cuatro chips y llevan contactos soldados, es decir, contactos que van soldados a la placa conductora o a su superficie de conexión. Son relativamente insensibles a la densidad de la corriente, y por ello son capaces de iluminar de manera muy intensa. Existen numerosos modelos de SMD. Puede elegirse el tamaño, la forma de la carcasa y la intensidad de la corriente. Se utilizan en tubos fluorescentes LED y en módulos LED, en combinación con otros diodos luminosos SMD. En la industria del automóvil, los faros de LED se emplean, principalmente, para la luz intermitente, para la luz de freno y para la luz de conducción diurna.
High Power
Los LEDs High Power son unos diodos luminosos muy potentes y resistentes que, en condiciones óptimas de funcionamiento, pueden trabajar con corrientes de 1000 mA. Se utilizan especialmente en los circuitos impresos con núcleo de metal. Su extraordinaria estructura precisa de unas características muy especiales en materia de termocontrol.
COB
El LED COB (Chip On Board) es el LED más avanzado de todos. Lleva este nombre porque va unido directamente a la pletina. Esta unión se realiza por medio de una fijación en la que los chips se unen automáticamente al circuito impreso dorado. El contacto al polo contrario tiene lugar mediante un alambre de oro o de aluminio. Dado que los LEDs COB no llevan reflector ni óptica de lente, el ángulo de irradiación de la luz emitida es muy amplio. Las grandes ventajas de la tecnología COB es su elevada potencia lumínica, su homogénea iluminación y sus variados campos de aplicación.
Pero, ¿de qué está compuesto un LED realmente?
Básicamente, un LED se compone de varias capas de uniones semiconductoras. Los semiconductores, como p.ej. el silicio, son materiales que, por su conductibilidad eléctrica, se encuentran entre los conductores, como p.ej. los metales, la plata y el cobre, y los no conductores (aislantes), como p.ej. el teflón y el vidrio de cuarzo. Mediante un preciso uso de sustancias eléctricas extrañas de gran efectividad (dopaje), puede influirse enormemente en la capacidad conductiva de los semiconductores. La distintas capas semiconductoras forman un chip LED. Del modo y forma de componerse esas capas (diferentes semiconductores) depende decisivamente el rendimiento lumínico (la eficacia) del LED y el color de la luz.
Si en el LED fluye una corriente en la dirección adecuada (del ánodo + al cátodo –), se crea luz (se emite)
La capa dopada n está preparada mediante la incorporación de átomos ajenos, de forma que predomine una gran cantidad de electrones. En la capa dopada sólo se encuentran algunos de estos portadores de carga. Por ello existen los llamados huecos de electrones (agujeros). Al aplicar una tensión eléctrica (+) en la capa dopada p y (-) en la capa dopada n, los portadores de carga se mueven atrayéndose. En una transición pn se produce una recombinación (reunificación de partículas con cargas opuestas, originándose una formación neutra). Así es como se libera la energía en forma de luz.
Características eléctricas: ¿Por qué una corriente muy alta puede ser dañina?
Si se aplica tensión a un diodo luminoso, su resistencia disminuye hasta cero. Los diodos luminosos son piezas extraordinariamente sensibles que pueden incluso destruirse si simplemente reciben un poco más de la corriente permitida. Por ello, es muy importante tener en cuenta que los diodos luminosos nunca pueden estar al lado de una fuente de tensión. Sólo cuando se monta también un delimitador de corriente o una resistencia en serie pueden estar cerca de ella. En los LEDs de alta potencia, la activación se realiza mediante un balastro, que suministra una corriente constante.
El gráfico adjunto muestra un circuito eléctrico que resulta necesario para que el LED funcione de manera óptima. En este caso, se utiliza una resistencia en serie como delimitador que controla la corriente directa IF, que fluye a través del diodo luminoso. Para seleccionar la resistencia adecuada, primero hay que saber cuál es la corriente umbral UF utilizada.
Para calcular la resistencia en serie RV, se necesita la tensión total, la tensión umbral y la corriente umbral.
Circuito eléctrico
Fórmula resistencia en serie RV
Accionamiento del LED
Dado que los LEDs necesitan poca corriente, se iluminan incluso cuando sólo reciben una fracción (pocos mA) de la corriente umbral permitida. A menudo es suficiente para proporcionar una luz adecuada. Como ya se ha mencionado, dependiendo del caso de aplicación, existen diversas posibilidades para poner los LEDs en funcionamiento.
Posibilidades de accionamiento de los LEDs
El futuro del LED: Óptima proporción lumínica en el vehículo
Debido a su alto coste de adquisición, el LED de momento sólo está presente en el segmento de alta gama de la industria del automóvil, aunque a largo plazo terminará imponiéndose. Además de los aspectos económicos, los motivos técnicos apuestan por un montaje del LED en serie.
Los diodos luminosos convencen por su funcionalidad, su rendimiento técnico y sus óptimos resultados lumínicos. Contribuyen a cuidar las fuentes de recursos naturales y proporcionan una mayor seguridad en el tráfico. Además, su color de la luz, muy similar a la luz natural del día, aporta una percepción de la luz muy agradable y luminosa.
El mercado del LED para faros y pilotos está desarrollándose continuamente en dos direcciones: por un lado, dará más significado al segmento de alta gama, cuya alta funcionalidad exige una potencia lumínica excelente. Por otro lado, las motivaciones económicas y ecológicas serán más exigentes, lo que conllevará, además de un bajo consumo de energía, unas soluciones a un precio más bajo. Sofisticados, funcionales, económicos: Los LEDs ofrecen muchas posibilidades.
Ópticas LED en el automóvil
Existen distintos métodos de dirigir la luz en una dirección determinada. Los métodos más importantes para dirigir la luz de la iluminación de un automóvil son la reflexión, la refracción y el método híbrido (combinación de reflexión y refracción).
Ejemplos de técnicas para dirigir la luz
El módulo de iluminación combinado genera la luz
Dado que los LEDs necesitan poca corriente, se iluminan incluso cuando sólo reciben una fracción (pocos mA) de la corriente umbral permitida. A menudo es suficiente para proporcionar una luz adecuada. Como ya se ha mencionado, dependiendo del caso de aplicación, existen diversas posibilidades para poner los LEDs en funcionamiento. Aquí se muestran detalladamente tres de estas posibilidades.
TERMOCONTROL: FUNDAMENTOS
El termocontrol desempeña un papel decisivo en la utilización de los diodos luminosos, ya que estos componentes reaccionan de manera muy sensible al calor.
Los diodos luminosos son fuentes lumínicas frías que, aunque emiten luz, apenas emiten radiación UV o IR. La luz emitida se percibe fría y calienta el objeto sobre el que se proyecta. Sin embargo, el LED se calienta por el proceso de creación de luz. Hasta el 85% de la energía se convierte en calor. Cuanto más baja es la temperatura, con más luminosidad y durante más tiempo ilumina un LED. Por ello es imprescindible contar con su correspondiente refrigeración. Además del propio calor que producen los LEDs, también hay que tener en cuenta otras fuentes térmicas, como el calor del motor, la radiación de sol, etc. Por ello, dependiendo del tipo de LED y de su ámbito de aplicación, se emplean hoy en día distintas técnicas para aumentar la transferencia o la disipación del calor.
Ejemplos
a) Nervaduras en el disipador
b) Pin en el disipador
c) Disipador con "manguito de calor"
Además, en la mayoría de los casos existe la posibilidad de regular la corriente de los LEDs. En condiciones extremas, la potencia de los LEDs puede verse reducida en cierta medida para disminuir asimismo la producción de calor. Para aumentar más la refrigeración se incrementa también la circulación del aire montando ventiladores axiales o radiales entre los elementos refrigerantes.
Nervaduras en el disipador
Ventilador axial de un Audi A8
VENTAJAS DEL FARO LED: COMPARATIVA
Los diodos luminosos convencen desde muchos puntos de vista. Aunque su adquisición resulta más costosa que las lámparas incandescentes o halógenas normales, su uso sale rentable después de poco tiempo. Justamente la industria automovilística aprovecha las cualidades positivas del LED, y ésta se impone en los vehículos nuevos gracias a la siguientes ventajas:
| Fuente lumínica | Flujo lumínico [lm] | Eficiencia [lm/W] | Temperatura del color [K] | Densidad de la luz [Mcd/m2] |
|---|---|---|---|---|
| Lámpara incandescente convencional W5W | ~ 50 | ~ 8 | ~ 2700 | ~ 5 |
| Lámpara halógena H7 | ~ 1100 | ~ 25 | ~ 3200 | ~ 30 |
| Lámpara de descarga de gas D2S | ~ 3200 | ~ 90 | ~ 4000 | ~ 90 |
| LED 2,5 W | ~ 120 (2010) ~ 175 (2013) | ~ 50 (2010) ~ 70 (2013) | ~ 6500 | ~ 45 (2010) ~ 70 (2013) |
Ventajas más importantes
- Bajo consumo de energía
- Larga vida útil
- Resistente a las vibraciones y a los impactos
- Menor desarrollo de calor
- No hay costes de mantenimiento ni de limpieza
- Libre de mercurio
- Excelente delimitación del deslumbramiento
- Sin inercia, conectable y modulable
- Extraordinaria emisión de luz
- Formas muy diversas (utilizable casi en cualquier ámbito)
- Disposición personalizada de la fuente lumínica
- La temperatura lumínica permanece al atenuarse la luz
- Color de la luz regulable
- Bajos costes de fabricación
- Chip/Mayor cantidad de luz
- Muy pocos fallos
- Tamaño muy reducido
- No emite radiación UV ni IR
- Bajo consumo de energía
- Luz dirigida: Emisor Lambert con ángulo de irradiación de 120°
- Elevada saturación del color
Optimización del consumo de energía y del ahorro potencial gracias al LED
La protección del medio ambiente y el elevado precio del combustible son los argumentos más sólidos, ya que el consumo energético es un tema ahora más actual que nunca. La atención principal a la hora de adquirir un vehículo nuevo se centra actualmente en el consumo de energía. Sin embargo, muy a menudo no se tiene en cuenta el ahorro potencial que supone la iluminación del vehículo para el consumo de energía.
El gráfico superior muestra el 100 % del consumo de energía de un vehículo, equipado con una combinación de lámparas incandescentes (pilotos traseros) y lámparas halógenas (faros). Es fácil reconocer qué es lo que más consume. El 60% del consumo de energía se necesita sólo para la luz de cruce.
Simplemente utilizando una combinación de pilotos xenón y LED se puede llegar a una reducción de un 39% de la necesidad energética.
Si se apuesta por una iluminación LED, el consumo energético se reduce en un 60%.
Ahorro de combustible combinando diferentes fuentes de iluminación
| Configuración del vehículo (faros/pilotos trasero) | Consumo de combustible [l/100 km] | Emisión CO2 [kg/100 km] | Reducción |
|---|---|---|---|
| Halógena/convencional | ~ 0,126 | ~ 0,297 | - |
| Xenón/LED | ~ 0,077 | ~ 0,182 | 39% |
| LED/LED (potencial para 2015) | ~ 0,051 | ~ 0,120 | 60% |
Consumo de combustible y emisiones de CO2 tomando un promedio de funcionamiento de la iluminación
| Sistema TFL | Consumo de combustible [l/100 km] | Emisión CO2 [kg/100 km] | Reducción |
|---|---|---|---|
| Faros halógenos | ~ 0,138 | ~ 0,326 | - |
| LED (función TFL por separado) | ~ 0,013 | ~ 0,031 | 91 % |
Consumo adicional de combustible y emisiones de CO2 en la luz de conducción diurna (TFL)
| Comparativa de fuentes lumínicas | Consumo de combustible |
|---|---|
| Configuración lámpara halógena/incandescente | 0,10 – 0,25 l /100 km |
| Configuración Xenón/LED | 0,05 – 0,15 l /100 km |
| Configuración 100% LED (potencial para 2015) | 0,03 – 0,09 l /100 km |
Consumo de combustible dependiendo de la configuración de la iluminación (vehículo equipo original)
Disminución de la distancia de frenado: Con el LED, en zona segura
En todo el mundo aumenta el número de vehículos en circulación. Debido a una mayor densidad del tráfico en las carreteras se producen más accidentes frontales y por alcance. Para evitarlos es muy importante que el conductor pueda percibir las señales lumínicas cuanto antes. Mientras que una lámpara incandescente normal necesita hasta 0,2 segundos para encenderse, el LED se enciende inmediatamente. No precisa de una fase de calentamiento y se enciende nada más presionar el pedal del freno. Así, el vehículo que circula detrás puede reaccionar más rápidamente al proceso de frenado del vehículo de delante.
Ejemplo
Dos vehículos circulan a una velocidad de 100 km/h (distancia de seguridad de 50 m), uno detrás del otro. El automóvil delantero frena, el conductor del automóvil trasero puede reaccionar en ese mismo momento, gracias a la luz inmediata del LED, y frena también enseguida. De este modo, la distancia de frenado se acorta casi 5 m. Esto significa un avance enorme para la seguridad.
REGULACIÓN DE LA LUZ DE LOS FAROS LED TOMANDO COMO EJEMPLO UN AUDI A8: INSTRUCCIONES
Por regla general, los faros LED pueden regularse con un ajustador de faros normal. Los faros de LED que sólo lleven una lente óptica (luz de cruce) deben ser tratados igual en su revisión y ajuste de la distribución de la luz que los demás faros que sólo lleven una fuente lumínica. En algunos faros con varias fuentes lumínicas debe prestarse atención a una peculiaridad. Debido a la forma de algunos faros, la lente colectora de algunos ajustadores de faros resulta demasiado pequeña para registrar la luz emitida (luz de cruce) por todos los LEDs. En tal caso es importante saber qué LED realiza cada una de las funciones lumínicas.
Faros Audi A8: Luz de cruce
¡Para preparar el vehículo deben respetarse de modo estricto las indicaciones del fabricante! En la luz de cruce del Audi A8 se puede ver claramente. Como ya se ha mencionado antes, los tres LEDs dispuestos en vertical generan tanto una parte simétrica de la luz de cruce como también una asimétrica.
Ajustar la distribución de la luz
Para ello, el ajustador de faros debe alinearse con las lentes. Si el ajustador de faros está alineado según las indicaciones, la distribución de la luz puede ajustarse como se hace siempre.
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